本發(fā)明屬于聲學(xué)測量領(lǐng)域，具體涉及一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)。

背景技術(shù)：

1、隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用膜片作為換能元件的聲壓傳感器，如麥克風(fēng)和水聽器等聲學(xué)探測設(shè)備，在信息收集方面扮演著關(guān)鍵角色。這些聲學(xué)探測器被廣泛用于國防、醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)等多個領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的電容式聲壓傳感器往往體積較大，電壓靈敏度較小，頻響范圍不寬，并且容易受到電磁干擾。相比之下，光纖聲壓傳感器在聲學(xué)成像、海洋監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)顯示出其卓越的應(yīng)用潛力，如高靈敏度、低噪聲、免疫電磁干擾等。這些傳感器的制造工藝不僅追求性能的提高，還特別強(qiáng)調(diào)在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性與可靠性。因此，對傳感器制造技術(shù)的深入研究和改進(jìn)對于推動未來聲學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要。

2、現(xiàn)有的光學(xué)麥克風(fēng)大多是基于邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德爾干涉儀及由法布里珀羅干涉原理制備的膜片式傳感器，相較于前面兩種干涉方式，fp干涉結(jié)構(gòu)具有更緊湊的傳感結(jié)構(gòu)和更高的靈敏度，能夠探測更為微小的聲音信號，然而fp干涉結(jié)構(gòu)傳感器其傳感的靈敏度和頻響范圍會受限于傳感膜片的材料屬性，因此動態(tài)范圍有限，導(dǎo)致出現(xiàn)靈敏度和頻響范圍無法兼顧的情況，即選擇靈敏度高的材料，其楊氏模量就會相對較低，因此其頻響范圍就會相對減小，或者為了增加靈敏度而減小膜片厚度及增大膜片面積會導(dǎo)致傳感器非常脆弱及傳感器尺寸變大，從而極易受到外界環(huán)境的影響。同時膜片越薄對傳感器的制備技術(shù)也會提出一定的條件，導(dǎo)致傳感器制備困難和制備成本的上升。

3、現(xiàn)有的光學(xué)麥克風(fēng)的靈敏度受限于膜片的振動范圍，在低頻或小振幅的聲壓信號下，傳感器的靈敏度不足，難以實現(xiàn)精確的聲壓測量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何通過將微結(jié)構(gòu)光纖與光纖結(jié)合，提高光學(xué)麥克風(fēng)聲壓傳感器的靈敏度和寬頻響。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，由第一單模光纖、波導(dǎo)膜片和傳感圓膜片依次熔接而成，所述第一單模光纖與波導(dǎo)膜片的熔接面是法布里珀羅干涉的第一個反射面；傳感圓膜片與所述的波導(dǎo)膜片的熔接面是法布里珀羅干涉的第二反射面，以形成法布里珀羅干涉效應(yīng)。

3、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，所述波導(dǎo)膜片由內(nèi)向外依次為懸空的纖芯二、中空層、外包層。

4、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，所述外包層上部和下部各開設(shè)有一個加工孔。

5、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，沿所述外包層33圓周上開設(shè)有四個加工孔。

6、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，所述波導(dǎo)膜片選擇微結(jié)構(gòu)光纖加工而成，所述微結(jié)構(gòu)光纖選擇三孔光纖或無截止單模光子晶體光纖。

7、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，所述第一單模光纖包括纖芯一和包層。

8、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，單模光纖的涂覆層外徑為242±5μm，包層外徑為125±0.7μm，纖芯為9±0.5μm。

9、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，傳感圓膜片的包層直徑與第一單模光纖的包層直徑相同。

10、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，傳感圓膜片厚度為10μm。

11、前述的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)，微結(jié)構(gòu)光纖的涂覆層直徑為270±10μm，外包層直徑125±7μm。

12、一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，包括以下步驟：

13、步驟1，將第一單模光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、第二單模光纖依次熔接，形成單模-微結(jié)構(gòu)光纖-單模的法布里珀羅干涉儀傳感結(jié)構(gòu)；

14、步驟2，將單模-微結(jié)構(gòu)光纖-單模法布里珀羅干涉儀傳感結(jié)構(gòu)中的微結(jié)構(gòu)光纖制備成圓柱形的波導(dǎo)膜片；

15、步驟3，對步驟2得到的單模-微結(jié)構(gòu)光纖-單模法布里珀羅干涉儀傳感結(jié)構(gòu)中的第二單模光纖進(jìn)行加工，制備成傳感圓膜片。

16、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟1中，包括：

17、步驟11，將第一單模光纖和微結(jié)構(gòu)光纖的一端涂覆層剝除，并去除殘留的涂覆層；

18、步驟12，將第一單模光纖和微結(jié)構(gòu)光纖的一端用切割刀切平，使用熔接機(jī)將第一單模光纖和微結(jié)構(gòu)光纖的切割面進(jìn)行熔接；

19、步驟13，將帶有尾纖接頭的第一單模光纖的另一端接入光譜分析儀；

20、步驟14，將步驟12中得到的單模-微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)放置在高精度位移臺上，啟動高精度位移臺，控制步進(jìn)精度，對剩余微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行切割，切割過程中通過觀察步驟13所述的光譜分析儀的干涉光譜，獲得最佳法布里珀羅干涉腔長與光譜對比度；

21、步驟15，將所述微結(jié)構(gòu)光纖的另一端熔接第二單模光纖，并使熔接處平整，形成單模-微結(jié)構(gòu)光纖-單模法布里珀羅干涉儀傳感結(jié)構(gòu)。

22、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，步驟11中，通過調(diào)整熔接機(jī)的放電功率和放電時間參數(shù)，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光纖與第一單模光纖端面平整熔接。

23、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，所需的放電功率為3-10bit，放電時間為30-50ms。

24、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，步驟14中，所需的微結(jié)構(gòu)光纖長度為200-300μm。

25、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，步驟14中，所需的光譜對比度>10db。

26、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟2中，包括：

27、步驟21，通過激光減材加工方法，在所述微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)壁的上表面和下表面刻蝕出加工孔；

28、步驟22，利用腐蝕性溶液通過所述加工孔侵入微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部，對所述微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部進(jìn)行選擇性腐蝕，保留微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部的纖芯部分，去除外部包層和纖芯外的其余部分，最終得到所需的波導(dǎo)膜片；

29、步驟23，將步驟22得到的結(jié)構(gòu)置于去離子水中，進(jìn)行超聲清洗處理，以溶解殘余的腐蝕性溶液，從而完成波導(dǎo)膜片的制備。

30、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟21中，通過激光輔助加工，在微結(jié)構(gòu)光纖側(cè)壁開加工孔，加工孔形狀為矩形、正方形或圓形。

31、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟21中，通過激光減材加工過程中，在設(shè)置的軟件中繪制激光路徑，激光路徑可以為正方形、圓形或長方形，包括：

32、步驟211，將前期制備的樣品精確放置在三維移動平臺上，三維移動平臺的每個軸通過步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動，以實現(xiàn)微米級甚至納米級的精確移動；利用三維移動平臺帶動所制品移動過程中，控制移動速度為2-5um/s；

33、步驟212，控制系統(tǒng)接收加工指令，根據(jù)預(yù)定的加工路徑和參數(shù)，實時調(diào)節(jié)三維移動平臺的三維位置，使激光束與樣品表面精確對準(zhǔn)；

34、步驟213，飛秒激光源通過聚焦透鏡將激光束聚焦到樣品表面，激光束在樣品表面沿著三維坐標(biāo)軸進(jìn)行掃描，激光束的焦點(diǎn)隨著三維移動平臺的移動而改變位置，從而實現(xiàn)對樣品的局部刻蝕。

35、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟22中，所述腐蝕性溶液可選擇氫氟酸溶液或氫氧化鈉溶液；選擇性腐蝕在恒溫水浴中進(jìn)行，腐蝕溫度設(shè)置為20-30℃，所需的恒溫水浴腐蝕時間為30-50s。

36、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟3中，包括：

37、步驟31，通過激光減材工藝將第二單模光纖的另一端切割到設(shè)定的厚度；

38、步驟32，將第二單模光纖向下放入光纖夾具中，將光纖夾具垂直固定在光纖研磨機(jī)上；

39、步驟33，使用研磨機(jī)把整體結(jié)構(gòu)逐漸下移，利用光纖研磨砂紙將第二單模光纖端面研磨到微米量級；

40、步驟34，將研磨后的結(jié)構(gòu)放于顯微鏡下，通過顯微鏡測量第二單模光纖厚度是否達(dá)到設(shè)定要求，如果達(dá)到，則傳感圓膜片制作完成。

41、前述的一種微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)的制備方法，在步驟33中，光纖研磨機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置在3000-5000轉(zhuǎn)/s,研磨時間為40-60min。

42、本發(fā)明達(dá)到的有益效果：本發(fā)明的一種由微結(jié)構(gòu)光纖制備的全石英雙膜結(jié)構(gòu)光學(xué)麥克風(fēng)采用全石英材料制造的聲學(xué)傳感器，由于石英材料的化學(xué)和物理特性及其穩(wěn)定，因此能夠在極端嚴(yán)酷的環(huán)境條件下保持卓越的穩(wěn)定性與可靠性，適合用于多種高溫測試和其他高壓電磁監(jiān)測場合。本發(fā)明提出的由不同微結(jié)構(gòu)光纖制備的雙膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，擁有非常寬的頻率響應(yīng)帶，使得該聲學(xué)傳感器能夠檢測和測量廣泛頻率帶內(nèi)的聲壓信號，滿足多樣化頻率需求的聲學(xué)應(yīng)用，有效地將環(huán)境聲波信號傳遞給波導(dǎo)膜片。同時，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對聲音信號的高靈敏度和寬頻帶檢測。